不同掺和料对砂岩骨料碱活性抑制效果的试验

朱安龙 李宝仁 张军

摘要：以洪屏抽水蓄能电站砂岩骨料碱活性抑制试验为例，分别对粉煤灰、矿渣灰、硅灰以及粉煤灰复合掺加硅灰的抑制效果进行对比分析，同时对混凝土含气量、含砂率的影响进行研究。试验结果表明，粉煤灰、矿渣灰、硅灰以及粉煤灰复合掺加硅灰均可以有效抑制骨料的碱活性反应，而且随着混凝土含气量的增加或含砂率的减小，骨料的碱活性反应有所减弱。不同的掺和料起到有效抑制作用的掺量差别较大，粉煤灰、矿渣灰、硅灰达到有效抑制效果的掺量分别为30%、50%和4%。不同试验方法得到的结果有一定差异，在选择检测方法时应予以注意。

关键词：砂岩：碱活性；掺和料；含气量；含砂率；抑制效果；洪屏抽水蓄能电站

中图分类号：TV431；TV641

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.029

堿一骨料反应（简称AAR）是影响混凝土耐久性的重要因素之一。混凝土工程一旦发生AAR反应便难以遏制，不仅导致混凝土膨胀开裂，而且促使影响混凝土耐久性的其他破坏作用加剧，最终导致混凝土结构丧失使用功能，危及工程安全。AAR不仅危害大，而且其破坏后基本无法修补，只能拆除重建，损失巨大，被称为混凝土的“癌症”。目前骨料的碱活性问题已得到工程界的普遍重视，对其抑制措施的研究成果也在工程中得到广泛应用，国外常用的外掺料有粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰及偏高岭土，国内常用的有粉煤灰、硅藻土和沸石，应用最为广泛的是粉煤灰。不同外掺料对混凝土性能的影响不同，如粉煤灰对混凝土强度的增长主要表现在后期，具有很好的“强度潜力”：而硅灰活性高，其对混凝土强度增长的贡献主要在前期，后期相对较缓慢。

洪屏抽水蓄能电站上下水库共有4座大坝，分别为两座混凝土面板堆石坝、一座常态混凝土重力坝、一座碾压混凝土重力坝。坝体不同部位对混凝土性能的要求差别较大：混凝土面板是面板堆石坝重要的防渗结构，长期处于水位变动区，工作条件较为恶劣，混凝土的强度、抗冻性、抗渗性、抗裂性等要求均较高；碾压混凝土重力坝表孔溢洪道表面混凝土对强度、抗冲耐磨性能要求较高：混凝土重力坝大体积混凝土对浇筑温度控制要求较为严格。该工程采用地下硐室开挖料，岩性为变质中粗砂岩，碱活性试验检测结果显示为具有潜在危害性的活性骨料。在工程实际所用水泥下砂浆棒快速法和棱柱体法检测的膨胀率分别达到0.40%和0.08%，膨胀率之高在国内工程中较为少见，因此能否使用以及如何使用活性骨料是该工程建设面临的一大难题。选用碱活性抑制方案时，需要综合考虑掺和料对碱活性的抑制效果和对混凝土性能的影响。为了有效指导混凝土配合比设计，分别对粉煤灰、矿渣灰、硅灰的抑制效果进行试验，包括单独掺加和复合掺加，同时进行了含砂率、含气量对碱活性的影响试验。

1 试验原材料

1.1 水泥

试验用水泥为江西丰城南方水泥有限公司生产的南方牌P.042.5水泥（以下简称南方普硅）。水泥的化学成分分析执行《水泥化学分析方法》（GB/T 176-2008），水泥的品质检测执行《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007），分析检测结果见表1和表2。

1.2 粉煤灰

试验使用上高县鼎易工程服务有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰。粉煤灰的品质检验执行《用于水泥和混凝土中的粉煤灰>（GB/T 1596-2005），化学成分见表3，品质检测结果见表4。检测结果表明，粉煤灰的细度满足GB/T 1596-2005对Ⅱ级粉煤灰的技术要求，其他性能均满足I级粉煤灰的技术要求。

2 骨料碱活性检测

2.1 检测方法

骨料碱活性测试方法有岩相法、砂浆棒快速法及棱柱体法，不同的方法各有其优缺点。为了使检测结果更为可靠，分别采用上述三种方法进行碱活性检验，以作综合评判。由于是人工骨料，岩相单一，因此只对人工砂进行碱活性检验。

2.2 检测结果

2.2.1 岩相法

偏光显微镜显示该碎石岩性为砂岩，具砂状结构，由碎屑和胶结物组成。碎屑的成分主要为石英（包括石英岩、硅质岩岩屑）、岩屑，少量长石，多呈次圆状一网状，均为砂级碎屑。石英颗粒较粗、不属微晶石英，部分具波状消光，石英岩岩屑由颗粒较粗的石英组成、部分具波状消光，硅质岩岩屑主要由隐一微晶石英组成：岩屑主要为酸一中性火山岩，少部分为黏土岩岩屑等，酸一中性火山岩主要由隐一微晶长石、石英组成，部分具蚀变、由黏土质生成，黏土岩主要由黏土质组成，含部分细小长石、石英；长石不具碱活性。胶结物主要为黏土质，少量石英，黏土质呈显微鳞片状，石英呈隐一微晶状，隐于黏土质间。

碎屑和胶结物中粒径小于0.05mm的隐一微晶石英占总量的IO%～15%.波状消光石英约占总量的15%，这两类石英均具有潜在碱硅活性，因此该碎石具有潜在碱硅活性。

2.2.2 试验测试法

分别采用砂浆棒快速法及棱柱体法进行骨料碱活性检测。砂浆棒快速法显示，在基准水泥以及该工程实际采用的南方普硅下14d膨胀率分别达到0.448%、0.400%。棱柱体法结果显示，该工程实际采用的南方普硅下52周膨胀率达到0.081%。根据规范均评判为具有潜在危害性活性骨料。

3 碱活性抑制方法与检测结果

3.1 试验方案设计

采用砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法检测单掺或复合掺加粉煤灰、矿渣灰、硅灰以及调整含砂率或含气量等措施对骨料碱硅酸反应活性的抑制效果。不同抑制措施试验方案见表5。

3.2 试验结果

3.2.1 粉煤灰抑制效果

试验结果（图1）显示，粉煤灰的抑制作用非常明显，掺加20%以上的粉煤灰对砂岩骨料的碱活性有明显的抑制效果，不同试验方法的检测结果基本一致。砂浆棒快速法检测的14d膨胀率降低到-0.03%～-0.06%、269d膨胀率只有0.01%～0.07%，棱柱体法检测的52周膨胀率仅为-0.003%～0.001%。

3.2.2 矿渣灰抑制效果

试验结果（图2）显示，矿渣灰对砂岩碱活性具有抑制作用，但与粉煤灰相比抑制效果相对较差，而且不同试验方法的检测结果存在一定的差异。对掺30%～50%矿渣灰的试件，砂浆棒快速法检测的14d膨胀率为0.05%～0.20%，只有掺量为50%的试件检测结果满足规范要求，而且后期膨胀率增加明显，269d膨胀率为0.16%～0.44%。但棱柱体法检测的52周膨胀率为0.001%～0.007%，三种掺量的抑制效果均满足规范要求。

3.2.3 硅灰抑制效果

试验结果（图3）显示，掺加4%以上的硅灰可以有效抑制砂岩骨料的碱活性，其变化规律和矿渣灰相似。砂浆棒快速法检测的14d膨胀率降低到-0.01%～-0.02%，虽然均满足规范的评定要求，但其后开始膨胀，269d膨胀率达到0.14%～0.28%。棱柱体法检测的52周膨胀率为-0.001%～0.005%，抑制效果与矿渣灰接近，均满足规范评定要求。

3.2.4 粉煤灰和硅灰复掺抑制效果

试验结果（图4）显示，在掺加20%粉煤灰基础上复掺4%以上硅灰同样可以有效抑制砂岩骨料的碱活性，与单独掺加20%粉煤灰相比抑制效果更好，其变化规律与单独掺加粉煤灰相似。砂浆棒快速法检测的14d膨胀率为-0.02%～-0.03%.269d膨胀率为0.04%～0.06%：棱柱体法检测的52周膨胀率降低到-0.005%～-0.003%，均满足规范评定要求。

3.2.5 含砂率的影响

试验结果（图5）显示，含砂率对膨胀率也存在一定的影响，提高含砂率时混凝土膨胀率变大，棱柱体法检测的45%含砂率52周的混凝土膨胀率比30%含砂率的增大11%左右。

3.2.6 含气量的影响

通过调整引气剂掺量得到1.0%～9.3%含气量的砂浆，可以看出含气量对后期膨胀率有一定的影响（图6）。随着含气量的增加试件的膨胀性有所减弱，192d时9.3%含气量砂浆膨胀率是1%含气量砂浆膨胀率的74%左有。

3.3 碱活性抑制机理分析

砂岩骨料碱活性反应属于碱一硅酸盐反应，其作用机理是骨料中的碱活性成分二氧化硅在混凝土硬化后逐渐与碱发生反应，生成碱硅酸盐胶凝体。碱硅酸盐胶凝体集聚后具有吸水膨胀的作用，从而使混凝土产生较大的内部应力而开裂。抑制碱活性反应就是采取一定的措施使水泥中的钾、钠离子处于非游离状态，或者使混凝土硬化后生成的碱硅酸盐胶凝体处于非聚集状态。

（1）活性矿物细粉作用机理。对比试验中采用的硅灰、粉煤灰、矿渣灰中含活性硅，活性硅与混凝土浆液中游离的钾钠离子发生化学反应，生成细而分散的碱硅凝胶。该碱硅凝胶一方面将仍处于游离态的钾钠离子包裹，将其转换为非游离态，减缓骨料碱活性反应：另一方面矿粉颗粒细，生成的碱硅凝胶呈非集聚状态，减缓了吸水膨胀的作用。因此，掺和的矿粉颗粒越细小、活性硅含量越高，其抑制效果越明显。本次试验所反映的硅粉、粉煤灰、矿渣灰抑制效果差异即源于此。

（2）含气量作用机理。混凝土内部气体以均匀分布的细微气泡形式存在，能够阻碍游离态钾钠离子与骨料碱活性矿物之间的反应，因此起到抑制碱活性反应的作用。

（3）含砂率作用机理。试验采用的是人工砂，同样具有碱活性。砂子与粗骨料相比比表面积大，当含砂量增大时，骨料与水泥内碱性物质接触的面积增大，碱活性矿物与游离态的钾钠离子发生反应的速度与激励程度也随之增大。

4 结论和建议

（1）碱活性抑制试验表明，粉煤灰、矿渣灰、硅灰均可作为洪屏工程砂岩骨料碱活性抑制物。试验可为高膨胀性砂岩骨料在大型水电工程应用中混凝土配合比设计提供依据。

（2）试验表明，针对洪屏工程所采用的砂巖骨料，粉煤灰掺量大于20%、矿渣灰掺量大于50%或者硅灰掺量大于4%均可达到有效的抑制效果。含砂率和含气量对骨料的膨胀性也有一定的影响。从抑制效果的稳定性上看，粉煤灰抑制效果较为稳定，掺加矿渣灰、硅灰试件后期膨胀率均有一定程度的增长。

（3）在粉煤灰掺量为20%的前提下，复掺硅灰可以进一步抑制混凝土的碱活性。由于复合掺加的试验中粉煤灰的含量较高，已具有明显的抑制效果，因此复掺硅灰的效果未能得到明显体现。实际工程应用中如果因混凝土其他性能要求，某种矿粉添加量不能满足碱活性抑制要求时，可以考虑复合掺加其他矿粉。

（4）本次试验所揭示的不同测试方法之间的差异对碱活性抑制试验方法的选择具有一定的指导意义。当砂岩骨料采用矿渣灰或者硅灰作为抑制材料时，砂浆棒快速法检测试件后期膨胀率增长较大，采用14d龄期测试结果进行评判可能导致偏差过大，因此在进行骨料碱活性测试或者抑制试验时，建议采用两种或两种以上的检测方法进行测试，综合评判。